EP1303698B1 - Rotorblattnabe - Google Patents

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EP1303698B1
EP1303698B1 EP01962750A EP01962750A EP1303698B1 EP 1303698 B1 EP1303698 B1 EP 1303698B1 EP 01962750 A EP01962750 A EP 01962750A EP 01962750 A EP01962750 A EP 01962750A EP 1303698 B1 EP1303698 B1 EP 1303698B1
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rotor
rotor blade
core
blade
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Aloys Wobben
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0658—Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade hub for a wind turbine.
  • a hub establishes a mechanical connection between the (horizontal) rotor shaft (rotor axis) and the rotor blades. It follows that all forces occurring on the rotor blades, if they are not forces in the rotor blades themselves, also occur at the hub. These are in addition to the (intended) rotational forces u. a. also centrifugal forces and resulting from the application of wind to the rotor blades forces, loads and moments.
  • the rotor hub is therefore one of the most highly stressed parts of a wind energy plant and, as a connection between the rotor blades and the "rest of the plant", the element whose strength must guarantee that no rotor blade can break away from the plant.
  • rotor blades in the prior art are in most cases made as a whole from a single piece, preferably a piece of spheroidal graphite cast iron.
  • Object of the present invention is therefore to provide a rotor hub, which meets all the requirements for the safe operation of a wind turbine with the required dimensions and which allows a safe and inexpensive as possible transport to the construction of the wind turbine.
  • a rotor blade hub with the features of claim 1 and a method for producing a rotor blade hub with the features of claim 6 are proposed.
  • the invention proposes that the rotor blade hub is produced in at least two (individual) pieces and that the pieces are permanently joined together to form a rotor blade hub.
  • the pieces can therefore be dimensioned so that a transport on land with standard means of transport is feasible.
  • the number of individual pieces of the rotor blade hub is at least one greater than the number of rotor blades of the wind turbine.
  • the individual pieces have a size for which the known technical methods are reliably mastered.
  • a division of the rotor blade hub into individual pieces is possible in such a way that the type of stressing of the individual parts can be better taken into account than in the hitherto known division of the rotor blade hub as a cast part.
  • the distribution of the rotor blade hub takes place in a so-called hub core and a number of hub outer parts corresponding to the number of Rotor blades.
  • each rotor blade can be fixed with a root to a hub outer part, wherein the hub outer parts are in turn attached to the hub core, so that the stress of the individual compounds is clearly defined.
  • fastening means are provided both on the hub core and on the hub outer parts, which allow a permanent connection between the hub outer parts and the hub core.
  • This permanent connection can be created by screw or rivet connections.
  • a positive connection eg by welding, gluing, joining of corresponding profiled and matching parts (core and outer part) (or a combination of aforementioned connection solutions) of the hub core with the outer parts is possible, being sure that always for a sufficient firm connection between hub core and outer part is provided.
  • Fig. 1 shows a (in the view from the front substantially triangular shaped) hub core 10 with a socket 14 for receiving the axle journal (not shown). With this bushing 14, the rotor blade hub is mounted on the rotor axis (e.g., the journal). At a small distance from the hub core 10 are shown three hub outer members 12 which are permanently secured to the hub core 10 in the orientation shown (and are), and to which in turn the rotor blades (not shown) are secured in a known manner. (see: Erich Hau "Wind turbines”)
  • a rotor blade hub for receiving three rotor blades is shown in FIG. Accordingly, the rotor blade hub on three hub outer parts, one for connecting a rotor blade, and the hub core 10 as the fourth single piece of the rotor blade hub.
  • the rotor blade hub is formed (joined) of a number of individual pieces, which is larger by one than the number of rotor blades (not shown).
  • the individual pieces are preferably produced in a casting process and thus consist of cast iron in a suitable composition.
  • the individual pieces have a size at which the manufacturing process thereof is safely controlled. In this way it can be ensured that as a result of perfect individual pieces and the rotor blade hub produced therefrom meet the high requirements safely.
  • Fig. 2 is a side view of the hub core 10 can be seen.
  • the view is directed directly to a substantially oval-shaped mounting flange (receptacle) with screw holes 16 for attaching a hub outer part 12 to the hub core 10.
  • These screw holes 16 are arranged distributed over the flange and the number is so dimensioned that a secure connection between the hub outer part 12 and hub core 10 can be produced.
  • the mounting flange does not necessarily have to be oval-shaped, it can also be circular or polygonal.
  • FIG. 3 shows a view of a hub outer part 12 from the side, which abuts the flange of the hub core 10 after assembly of the rotor blade hub 10, 12, 14. Also on this hub outer part 12 a substantially oval-shaped mounting flange is provided with openings 16. The number and position of the screw holes 16 correspond to those of the hub core 10, so that they are exactly opposite each other during assembly.
  • FIG. 3 a possible, substantially circular rotor blade connection of the hub outer part 12 is indicated in FIG. 3. To obtain the clarity of the figure, has been omitted here on the presentation of fasteners.
  • the hub outer parts 1 2 are applied to the hub core 10 and once the hub outer part 12 is in the correct position with respect to the hub core 10, the individual pieces 10, 12 are permanently joined together, e.g. be bolted together.
  • insoluble joining techniques e.g. Welding, bonding
  • Fig. 4 shows in outline the representation of a wind turbine with a rotor blade hub which receives three rotor blades.
  • the rotor blade hub is directly attached to the rotor of a generator and the rotor rotates within the stator of the generator.
  • hub and the rotor are rotatably mounted on a journal.
  • the composite hub has a diameter greater than 2.50 m (as viewed in FIG. 1).

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorblattnabe für eine Windenergieanlage. Eine solche Nabe stellt eine mechanische Verbindung zwischen der (horizontalen) Rotorwelle (Rotorachse) und den Rotorblättern her. Daraus folgt, dass sämtliche an den Rotorblättern auftretenden Kräfte, sofern sie nicht Kräfte in den Rotorblättern selbst sind, auch an der Nabe auftreten. Dies sind neben den (gewollten) Rotationskräften u. a. auch Fliehkräfte und sich aus der Windbeaufschlagung der Rotorblätter ergebende Kräfte, Lasten und Momente.
  • Die Rotornabe ist demnach eines der höchstbeanspruchten Teile einer Windenergieanlage und als Verbindung zwischen den Rotorblättern und dem "Rest der Anlage" das Element, dessen Festigkeit garantieren muss, dass sich kein Rotorblatt von der Anlage losreißen kann.
  • Daher werden Rotorblattnaben im Stand der Technik in den meisten Fällen als Ganzes aus einem Guss, vorzugsweise ein Stück aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt.
  • Aus der US 4,790,722 ist ein Mehrfachrotorblatt Rotor für eine Windenergieanlage offenbart, bei dem die Rotorblätter jeweils über Wälzlager mit der Rotomabe verbunden sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Rotorblattnabe anzugeben, die bei den erforderlichen Abmessungen allen Anforderungen für den sicheren Betrieb einer Windenergieanlage genügt und die einen sicheren und möglichst wenig aufwendigen Transport zum Aufbauort der Windenergieanlage gestattet.
  • Die in naher Zukunft zu errichtenden Anlagen erreichen solche Dimensionen, dass der erforderliche technische Ablauf zum einstückigen Herstellen einer Rotorblattnabe kaum noch beherrschbar ist und die Gefahr von Schwachstellen, z. B. in Form von Lunkem, beträchtlich steigt. Damit ist eine zuverlässige Fertigung einwandfreier Rotorblattnaben jedoch nicht mehr möglich.
  • Weiterhin ist zumindest ein Transport zu Lande von großen Rotorblattnaben mit entsprechenden Abmessungen nur mit großem (unverhältnismäßigem) Aufwand zu bewerkstelligen und erfordert außerordentlich umfangreiche logistische und organisatorische Vorbereitungen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Rotorblattnabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorblattnabe mit den Merkmalen des Anspruches 6 vorgeschlagen. Die Erfindung schlägt vor, dass die Rotorblattnabe in mindestens zwei (Einzel) Stücken hergestellt wird und dass die Stücke dauerhaft zu einer Rotorblattnabe zusammengefügt werden. Die Stücke können daher so dimensioniert werden, dass ein Transport auch zu Lande mit Standard-Transportmitteln durchführbar ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Einzelstücke der Rotorblattnabe wenigstens um Eins größer als die Zahl der Rotorblätter der Windenergieanlage. Die Einzelstücke weisen eine Größe auf, für welche die bekannten technischen Verfahren sicher beherrscht werden. Andererseits ist so eine Aufteilung der Rotorblattnabe in Einzelstücke derart möglich, dass die Art der Beanspruchung der einzelnen Teile besser berücksichtigt werden kann als bei der bisher bekannten Aufteilung der Rotorblattnabe als Gussteil.
  • Besonders bevorzugt erfolgt die Aufteilung der Rotorblattnabe in einen sogenannten Nabenkern und eine Anzahl von Nabenaußenteilen entsprechend der Anzahl der Rotorblätter. Dadurch kann jedes Rotorblatt mit einer Wurzel an einem Nabenaußenteil befestigt werden, wobei die Nabenaußenteile wiederum am Nabenkern angebracht werden, so dass die Beanspruchung der einzelnen Verbindungen klar definierbar ist.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind sowohl am Nabenkern als auch an den Nabenaußenteilen Befestigungsmittel vorgesehen, die eine dauerhafte Verbindung zwischen den Nabenaußenteilen und dem Nabenkern zulassen.
  • Diese dauerhafte Verbindung kann durch Schraub- oder Nietverbindungen geschaffen werden. Auch ein formschlüssiger Verbund (z.B. durch Schweißen, Kleben, Zusammenfügen von entsprechenden profilierten und aufeinander passenden Teilen (Kern und Außenteil) (oder eine Kombination vorgenannter Verbindungslösungen)) des Nabenkerns mit dem Außenteilen ist möglich, wobei darauf zu achten ist, dass stets für eine ausreichende feste Verbindung zwischen Nabenkern und Außenteil gesorgt ist.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.
  • Im Folgenden wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine Vorderansicht eines Nabenkerns und der davon getrennt dargestellten Nabenaußenteile;
    Fig. 2
    eine Seitenansicht des Nabenkerns;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht eines Nabenaußenteils und
    Fig. 4
    eine Seitenansicht einer Nabe.
  • Fig. 1 zeigt einen (in der Ansicht von vorne im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildeten) Nabenkern 10 mit einer Buchse 14 zur Aufnahme der Achszapfens (nicht dargestellt). Mit dieser Buchse 14 wird die Rotorblattnabe auf die Rotorachse (z.B. den Achszapfen) aufgesetzt. Mit geringem Abstand von dem Nabenkern 10 sind drei Nabenaußenteile 12 dargestellt, die an dem Nabenkern 10 in der gezeigten Orientierung dauerhaft befestigt werden (und sind), und an denen wiederum die Rotorblätter (nicht dargestellt) in bekannter Weise befestigt werden. (siehe hierzu: Erich Hau "Windkraftanlagen")
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 eine Rotorblattnabe zur Aufnahme von drei Rotorblättern dargestellt. Demnach weist die Rotorblattnabe drei Nabenaußenteile auf, jeweils eines zum Anschluss eines Rotorblattes, sowie den Nabenkern 10 als viertes Einzelstück der Rotorblattnabe. Somit ist die Rotorblattnabe aus einer Anzahl von Einzelstücken gebildet (zusammengefügt), die um Eins größer ist als die Anzahl der (nicht dargestellten) Rotorblätter.
  • Um eine ausreichende Festigkeit des Materials zu erreichen, werden die Einzelstücke bevorzugt in einem Gießverfahren hergestellt und bestehen somit aus Gusseisen in einer geeigneten Zusammensetzung. Dabei weisen die Einzelstücke eine Größe auf, bei der das Herstellungsverfahren derselben sicher beherrschbar ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in Folge einwandfreier Einzelstücke auch die daraus hergestellten Rotorblattnaben die hohen Anforderungen sicher erfüllen.
  • In Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Nabenkerns 10 erkennbar. Dabei ist der Blick direkt auf einen im Wesentlichen oval geformten Befestigungsflansch (Aufnahme) mit Schraubenlöchern 16 zum Befestigen eines Nabenaußenteiles 12 an dem Nabenkern 10 gerichtet. Diese Schraubenlöcher 16 sind über den Flansch verteilt angeordnet und die Anzahl ist so bemessen, dass eine sichere Verbindung zwischen Nabenaußenteil 12 und Nabenkern 10 herstellbar ist. Weiterhin ist in Fig. 2 die durch die Öffnung im Nabenkern erkennbare Rotorachsenbuchse 14 (zur Anlage auf dem Achszapfen) dargestellt. Der Befestigungsflansch muss nicht zwingend oval geformt sein, er kann auch kreisrund oder als Polygon ausgeführt sein.
  • Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines Nabenaußenteils 12 von der Seite her, die nach der Montage der Rotorblattnabe 10, 12, 14 am Flansch des Nabenkerns 10 anliegt. Auch an diesem Nabenaußenteil 12 ist ein im Wesentliche oval geformter Befestigungsflansch mit Öffnungen 16 vorgesehen. Dabei entsprechen Anzahl und Position der Schraubenlöcher 16 denjenigen des Nabenkerns 10, so dass sich diese bei einer Montage exakt gegenüberliegen.
  • Weiterhin ist in Fig. 3 eine möglicher, im Wesentlichen kreisförmiger Rotorblattanschluss des Nabenaußenteils 12 angedeutet. Um die Übersichtlichkeit der Figur zu erhalten, wurde hier auf die Darstellung von Befestigungsmittel verzichtet.
  • Zur Montage der Rotorblattnabe werden die Nabenaußenteile 1 2 an den Nabenkern 10 angelegt und sobald das Nabenaußenteil 12 die richtige Position gegenüber dem Nabenkern 10 aufweist, werden die Einzelstücke 10, 12 dauerhaft miteinander verbunden, indem sie z.B. miteinander verschraubt werden. Dabei sind jedoch alle bekannten technischen Verfahren zum Verbinden solcher Einzelstücke möglich, wobei auch unlösbare Verbindungstechniken, z.B. Schweißen, Verkleben, in Betracht zu ziehen sind.
  • Fig. 4 zeigt im Ausriss die Darstellung einer Windenergieanlage mit einer Rotorblattnabe, die drei Rotorblätter aufnimmt. Die Rotorblattnabe ist am Läufer eines Generators direkt befestigt und der Läufer dreht sich innerhalb des Stators des Generators. Sowie Nabe als auch der Läufer sind auf einem Achszapfen drehbar gelagert.
  • Bei der dargestellten Windenergieanlage handelt es sich bevorzugt um eine Windenergieanlage mit sehr großer Leistung, vorzugsweise mit mehr als drei MW. Die zusammengesetzte Nabe weist einen Durchmesser von mehr als 2,50 m (aus der Ansicht, wie in Fig. 1 dargestellt) auf.

Claims (7)

  1. Rotorblattnabe (10, 12, 14)für einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt, gebildet aus einem Nabenkern (10) und ein oder mehreren Nabenaußenteilen (12) zur Aufnahme eines Rotorblatts,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenkern (10) wie auch das Nabenaußenteil (12) einen im Wesentlichen oval gebildeten Flansch aufweisen, durch den Nabenaußenteil und Nabenkern miteinander verbunden sind.
  2. Rotorblattnabe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Einzelstücke der Rotorblattnabe (10, 12, 14) um wenigstens Eins größer ist als die Anzahl der Rotorblätter, welche die Nabe aufnehmen kann.
  3. Rotorblattnabe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattnabe (10, 12, 14) durch einen Nabenkern (10) und ein oder mehrere Nabenaußenteile (12) zur Aufnahme eines Rotorblatts gebildet ist.
  4. Rotorblattnabe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenkern (10) und die Nabenaußenteile (12) dauerhaft und/oder unlösbar miteinander verbunden sind.
  5. Rotorblattnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenkern zur Aufnahme eines Nabenaußenteils (12) einen im Wesentlichen oval gebildeten Flansch aufweist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Rotorblattnabe (10, 12, 14) aus wenigstens zwei Einzelstücken, die zur Bildung der Nabe zusammengesetzt und bevorzugt dauerhaft zusammengefügt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Nabenkern (10) wie auch mindestens ein Nabenaußenteil (12) einen im Wesentlichen oval gebildeten Flansch aufweisen, durch den Nabenaußenteil und Nabenkern miteinander verbunden werden.
  7. Windenergieanlage mit einer Rotorblattnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
EP01962750A 2000-07-19 2001-06-20 Rotorblattnabe Expired - Lifetime EP1303698B1 (de)

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EP (1) EP1303698B1 (de)
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